圆形导线输电线路导体表面电压梯度搁浅效应的分析 Jordi-Roger Riba

《Technologies》：Analysis of the Stranding Effect on the Surface Voltage Gradient of Transmission Line Conductors with Round Strands Jordi-Roger Riba

　　摘要
随着电子设备在日常生活中的普及，户外充电功能变得至关重要。一种成功的方法是使用太阳能光伏（PV）供电的野餐桌，但现有设计存在一些局限性，包括专有设计限制了复制或修改，以及较高的成本。本研究通过介绍一种新型开源太阳能野餐桌的设计来应对这些局限性，该餐桌采用废旧光伏板和回收塑料木材制造。这种开源的太阳能野餐桌既具备传统野餐桌的功能，又能提供电力充电服务，支持学习和连接需求。系统整合了320瓦的光伏模块、最大功率点充电控制器和12伏的LiFePO4电池，实现可靠的离网发电和储能。在实际户外使用条件下，通过智能手机、平板电脑和笔记本电脑等设备的测试验证了其性能，这些设备在一天中的不同时间和夜晚以单独或连接的方式使用。此外，该产品的材料成本较低。

1. 引言
随着时间的推移，电子设备的使用越来越普遍[1]，能源需求也随之增加[2]，这给环境带来了负面影响[3]。在室内，电子设备可以通过电网充电。由于快速脱碳[4]，这种充电方式对环境的影响正在减少。这主要归功于太阳能光伏（PV）系统的快速发展，它是史上成本最低的电能生产方式[5]。然而，在大多数地区，即使是发达社区，户外电力接入也受到限制或不可用[6]。例如，大学校园内很少有可供学生、教职工使用的电源插座[7]。学生们和其他人对日常使用电子设备高度依赖[8]。虽然电池使人们能够在户外工作，但对于可靠的外置充电方案的需求日益增长，大量文献表明户外充电在学术环境中具有积极意义[9]。随着人们越来越依赖电子设备进行学习、交流和日常活动，获得可靠的户外电力成为一个日益重要的挑战[10]。太阳能野餐桌通过结合实用性和可持续性满足了这一需求，减少了对电网电力的依赖。多项学术和公共场合的项目已经证明了太阳能野餐桌和长椅的可行性。例如，一项研究开发了带有桌面和顶棚安装面板选项的太阳能野餐桌，可以在大学环境中实现USB充电[12]；另一项项目提出了“智能餐桌”概念，结合了太阳能充电和环境传感器，既为用户提供便利，又具备数据收集功能[13]；最近，还实现了一种带有集成照明和移动充电功能的智能長椅，进一步验证了PV技术在户外公共空间中的实用性[14]。此外，加州理工大学的学生主导的太阳能野餐桌项目[15]、伊利诺伊大学的太阳能户外桌（SPOT）[16]以及佐治亚大学的太阳能餐桌项目[17]等举措，体现了将座椅设施与可再生能源结合以支持校园可持续发展目标的趋势。市场上也出现了商用系统，如EnerFusion公司的Solar Power-Dok[18]和SELS公司的ST1010太阳能充电桌[19]，这些产品支持USB、无线充电和交流电源输出。EnerFusion公司的“Aurora太阳能野餐桌”型号的特点是将光伏板安装在顶棚结构上，根据顶棚配置不同，价格约为10,965美元（不含运费和处理费[20]）；SELS公司的ST1010太阳能野餐桌则集成了充电和连接功能，售价约为3,100美元[21]。尽管这些例子证明了太阳能户外系统的可行性和吸引力，但它们仍存在一些局限性：（i）专有设计；（ii）高成本；（iii）复制或修改的便利性有限。本文通过介绍一种新型开源太阳能野餐桌的设计来克服这些局限性。遵循标准的开源硬件设计实践[22]，提供的信息包括完整的材料清单、详细的接线图和CAD设计图，并以允许复制和修改的许可证公开共享[23]。为了进一步提升设计的环境可持续性，该设计还使用了废旧光伏板和回收塑料木材，通过材料再利用和耐用性增加了可持续性维度。与以往的研究[12,13,14,15,16,17,18,19]不同，该项目确保设计的每个组件都可以在全球不同环境中被复制、改进和适应。因此，本研究不仅展示了光伏供电座椅用于户外充电的可行性，还提供了一个开放、低成本的解决方案，可供大学、社区和公共组织轻松采用。具体而言，这种开源太阳能野餐桌具有以下特点：
- 作为传统的野餐桌使用，并提供电力充电功能；
- 集成了废弃的光伏板、电池、最大功率点（MPPT）控制器和USB端口；
- 通过可再生能源和回收材料促进可持续性；
- 在校园内提供电力支持学习和连接需求。

2. 材料与方法
该项目采用实用的开源硬件设计和实施方法[24]。餐桌的尺寸基于西安大略大学现有的野餐桌设计，但经过修改以适配在安大略省大规模光伏阵列升级过程中退役的光伏模块。本研究使用的是Heliene公司（加拿大索尔特圣玛丽）生产的的多晶Heliene 72M 320瓦光伏模块，标称功率为320瓦[25]。该模块制造于2014年10月，测试时的使用年限约为11年（2025-2026年）。安装前进行了基本测试，测量开路电压（Voc）和短路电流（Isc），分别为约40-41伏和8-8.5安培，略低于制造商标定的数值，这与预期的老化效应和非标准测试条件一致。光伏模块通常在制造商保修期（通常为20-30年）结束后被视为“退役”，但实际上许多模块在该期限后仍能保持相当比例的初始功率输出。基于晶体硅的光伏模块的年衰减率一般在0.2%至0.8%之间，全球中值约为每年0.5%，这意味着即使在25年后，许多模块仍能提供85-90%的初始容量，具体取决于环境条件和维护情况[26]。来自美国不同气候区的23个光伏系统的长期现场数据表明，年衰减率为0.5-0.6%，许多系统在三十年后仍能完全运行[27]。此外，材料、封装和制造工艺的最新进展显著提高了模块的耐用性，研究表明现代光伏模块在典型现场条件下可以可靠运行30年或更长时间[28]。证据表明，光伏模块的衰减主要是由湿度、紫外线照射和温度循环等环境因素引起的，而非材料本身的缺陷[29]。加拿大专业工程师协会指出，许多光伏装置在其25年保修期后仍能继续发电，为将退役模块重新用于社区项目或教育基础设施等二次应用创造了机会[30]。通过逆变器内置的在线诊断工具或I-V曲线追踪器可以快速评估旧模块的状态[31]。虽然保修期结束通常意味着使用寿命结束，但许多模块仍能可靠运行多年，非常适合用于开源、小规模系统，如太阳能野餐桌。
使用Onshape（基于Web的CAD平台，PTC公司，美国马萨诸塞州波士顿，2026年可访问）[32]创建了结构的完整CAD模型[32]。太阳能野餐桌配备了直接嵌入桌面的光伏板、最大功率点（MPPT）充电控制器、用于储能的电池和USB输出端口。性能测试在真实户外条件下进行，重点关注电压、电流和设备充电能力等关键参数。通过多次测试评估了太阳能野餐桌的充电性能。首先进行单负载测试，连接一个USB设备记录在正常阳光下的充电电压、电流和时间，以确定基准性能；其次进行多负载测试，同时连接多个USB端口观察系统在多个设备连接时的表现；最后通过断开光伏输入模拟多云或夜间条件下的电池单独运行情况。这些测试综合评估了系统在不同环境和负载条件下的充电可靠性和能量管理能力。

2.1. 设计与材料清单
用于构建开源太阳能野餐桌的完整材料清单见表1。餐桌结构使用来自加拿大安大略省GreenWell Plastics公司的回收塑料木材制成，该公司将填埋处理的塑料回收成新产品和资源。如表1所示，绝大多数组件无论是数量还是总质量和体积都是回收或再利用的材料，旨在最小化对环境的影响。

表1. 太阳能野餐桌的材料清单

2.2. 机械设计
使用Onshape [32] CAD软件设计了餐桌结构。所有尺寸与西安大略大学原始设计相同，只是长度和宽度根据所需的光伏板进行了调整。图1展示了带有光伏板的CAD模型等轴视图，图2则是去掉光伏板的视图以清晰显示结构。图3展示了餐桌的爆炸视图，说明了各个组件和整体结构。根据这些标记的部件，表2总结了所需切割长度、数量和切割类型。

表2. 太阳能野餐桌框架的切割清单

2.3. 电气设计
图4显示了餐桌的电气连接方式。320瓦的光伏模块连接到75伏、10安培的MPPT充电控制器输入端，该控制器调节从光伏板获取的功率，并在不同辐照条件下优化能量传输。MPPT的电池输出端子连接到一个12伏、10安时的磷酸铁锂（LiFePO4）电池组，该电池组在太阳能供应不足或无法提供能量的情况下（例如在阴天或夜间）提供能量存储。图4展示了这款开源太阳能野餐桌电气部件的示意图。红线表示正极连接，黑线表示负极连接。2.4 验证階段：这款太阳能野餐桌在实际户外使用条件下了进行了验证，测试了智能手机、平板电脑和笔记本电脑等日常用户设备在不同时间段的使用情况。无论是白天还是夜晚，设备都进行了连接测试。白天，当光伏模块正在发电时设备被接入；日落之后，当光伏发电量为零时设备也被接入。为了模拟校园内的群体使用场景，还进行了同时为多个设备充电的额外测试。所有测量数据都是通过Victron Connect移动应用v6.10 [38] 获取的，该应用通过蓝牙连接到SmartSolar MPPT控制器。该应用提供了光伏电压和功率、电池电压和电流以及负载电流的实时和历史数据。在每次测试中，都可以观察到电力供应情况以及电池的反应。这些测试确认了该系统不仅能够可靠地为设备充电，还能在真实户外条件下自主管理太阳能发电、储能和负载之间的能量流动。3月27日，在加拿大安大略省伦敦市进行了进一步的实地测试，以评估系统在真实环境条件和部分遮挡下的性能。环境温度和太阳辐射数据来自German Solar Corp.（加拿大安大略省伦敦市）[39] 安装的附近气象站，以确保环境参数的准确性。3. 结果：在获得了材料清单中的所有组件后，两名工作人员分步骤完成了这款太阳能野餐桌的组装。首先，根据表2中的切割图纸测量、标记并切割回收塑料木材至所需尺寸。接下来按照图1、图2和图3的说明组装系统的机械部件。最后安装光伏面板和电气组件，包括固定太阳能面板以及根据图4连接MPPT充电控制器、电池和USB充电端口。整个建造和设置过程大约花费了一天时间。图5和图6展示了完成后的开源太阳能野餐桌的照片。这款桌子被安装在加拿大安大略省西大学的工程花园中，用作功能性的户外工作空间和所提设计的展示案例。使用Victron Connect应用 [38] 记录的初步结果显示了光伏发电的实时情况、电池状态以及太阳能野餐桌的能耗情况。图7展示了一个典型的运行截图：此时光伏模块产生了约70瓦（39.88伏、1.8安）的电力，电池电压约为13.69伏，控制器显示电池正在充电。图8显示了在无阳光条件下的测试结果：此时光伏模块不产生电力，当设备连接时负载电流（蓝色轨迹）增加，而电池电流（橙色轨迹）变为负值，表明电池正在为负载供电。这一测试验证了系统在没有太阳能输入的情况下仍能继续为设备充电。图9展示了系统在多设备同时连接情况下的日能耗历史。在记录到最高能耗的那一天，同时连接了三个设备，总能耗约为50瓦时，光伏模块达到约73瓦的峰值功率。尽管有多个设备同时使用电力，系统仍能持续运行。系统效率基于其架构和组件规格进行评估。由于系统完全在直流域内工作，转换损失被降至最低。根据制造商的规格，MPPT充电控制器的峰值效率约为98% [40]，其他损失主要来自电池的充放电过程和USB转换。由于导体长度较短，电阻损失可以忽略不计。总体而言，由于其直流耦合设计和最少的转换环节，系统预期具有较高的效率。而在没有外部设备连接的情况下，每日能耗约为10瓦时，这表明系统即使在无负载的情况下也能保持活跃状态。在阳光充足的日子里进行了部分遮挡条件下的实地测试。测试期间，太阳辐射强度在848至935瓦/平方米之间，平均约为908瓦/平方米，环境温度在-2.0至0.45摄氏度之间变化。最初连接了一个充电状态为75%的电池组，消耗约14瓦的电力，完全由光伏系统提供；随后加入了另一个充电状态为23%的电池组，总负载增加到约26瓦，也完全由光伏系统满足。接着连接了一台充电状态为25%的笔记本电脑（图10），总负载增加到约57瓦。这些设备造成了部分遮挡，但光伏系统仍能满足充电需求。图10显示了在全日照条件下系统的运行情况；为了进一步研究遮挡效应，故意用电子设备等物品遮挡了大约30%的光伏表面，此时光伏输出约为35瓦，剩余需求由电池提供（图11）。去除遮挡物后，光伏输出立即恢复，约为55瓦供给负载，并产生总计70瓦的电力，多余的能量用于为电池充电（图12）。这表明光伏系统对部分遮挡具有敏感性，并能在充足阳光条件下同时为负载供电和为电池充电。图12显示了满负荷运行状态下的系统状态。测试期间，连接设备共消耗了约105瓦时的能量，其中约92瓦时直接由光伏系统提供，其余由电池补充。测试结束后，一个电池组完全充满电，其余设备的充电状态达到70-75%。需要注意的是，为了确保电池的安全运行，MPPT充电控制器的电流被限制在5安培以内。因此，负载和电池的充电电流总和未超过这一限制。图13和图14展示了学生使用这款太阳能野餐桌的照片，这些照片反映了系统在校园内的实际使用场景。学生们正在户外学习或合作时为笔记本电脑和手机充电，显示了桌子作为便捷电源和舒适工作空间的作用，促进了户外学习、社交互动以及可持续技术的应用。4. 讨论：为学生提供在融入自然的校园环境中活动的机会（如使用太阳能野餐桌），与大量研究结果一致，这些证据表明接触自然环境有助于改善心理健康、认知表现和社会情感发展。学校日常安排户外时间与减少压力、提高注意力、增强韧性及改善身体健康有关 [41]。系统回顾性研究指出，基于自然的户外学习能够提升学生的参与度、自我调节能力、社交技能和学术成果 [42]。同样，综合文献表明，定期接触绿地有利于改善情绪、注意力恢复、认知功能和睡眠质量 [43]。还有研究表明，户外时间与学术表现的提高有关。一项基于学校的研究发现，每天约2.3小时的户外时间与多学科领域的较高学习成绩相关，且不会影响学习时间，打破了“户外时间会分散学习注意力”的传统观念 [44]。除了认知和学术上的益处外，户外环境还对支持社交和情感学习起着关键作用。与加拿大教育者的定性研究显示，户外学习环境能培养学生的自主性、协作能力、情绪调节能力和自信心 [45]。这些发现表明，在校园内配备能够为电子设备供电的户外学习设施，有助于促进学生的全面发展。此外，使用回收塑料木材增强户外设施的耐用性和可持续性。回收塑料木材在户外环境中非常耐用，因为常见的聚合物结构具有抗微生物降解和抗湿性的特点 [46]。由于塑料通常会分解成小颗粒而不会生物降解，这些材料在暴露环境中能够保持长期稳定性 [47]。含有紫外线稳定剂的塑料复合材料在自然环境中可长期使用，具有稳定的机械性能和良好的耐候性 [48]。综上所述，回收塑料木材作为一种耐用、低维护且环保的替代材料，适用于校园环境。虽然太阳能光伏技术已被证明是一种可持续的能源 [50]，但其生命周期结束后的环境影响仍是一个挑战 [51]。当有激励措施或法规支持时，回收传统层压光伏板通常具有经济效益 [52]，而循环利用光伏板的设计在聚合物基光伏 [53] 和玻璃基光伏 [54] 领域尚未得到充分探索。目前正在进行关于循环光伏生态系统的研究 [55,56]。尽管光伏技术常用于大规模商业和公用事业项目，但文献表明它们也能有效地应用于较小的离网基础设施，其模块化和功率密度优势依然明显 [55]。例如，在一项农光互补研究中，重新利用的光伏模块在384平方米的园艺区域表现出超过0.93的功率利用效率，说明二次利用的光伏板仍能保持可靠的能量输出 [57]。此外，对废弃光伏阵列的现场调查显示，超过20年的模块中有相当一部分仍然适合重新利用，继续发电而不是被丢弃[58]。进一步分析表明，系统组件的再利用（如支架和逆变器）可以延长使用寿命，并减少循环经济供应链中的材料需求[56]。对二次生命周期的太阳能应用的深入评估还显示，环境“足迹”（通过避免电网用电和减少新生产所实现的收益）在连续运行几年后超过了与再利用相关的“足迹”，这强调了重新部署模块而非过早回收的可持续性优势[59]。综上所述，这些发现支持将原本为大型系统设计的光伏模块整合到小型离网设施中，例如这里展示的开源太阳能供电野餐桌，从而充分利用其剩余的发电潜力，而不是将其丢弃。

市场上现有的商用太阳能供电野餐桌价格远高于本研究中开发的原型。例如，[19,46]中描述的商用太阳能充电野餐桌通常需要数千美元，而本文介绍的桌子设计方案所需的材料总成本约为450美元。与典型的商业产品相比，这代表了超过90%的材料成本降低。由于材料成本相对较低，且使用了常见的组件，该设计方案可以在大学环境中使用现有的制造空间或学生主导的可持续性项目进行制作。虽然开源硬件众所周知比专有硬件更便宜[60]，但本文并不打算进行全面的经济分析，主要是因为没有包括劳动力成本，而劳动力成本在全球范围内差异很大。以加拿大为例，博士后劳动力的成本可能在35美元/小时，而课程或学生俱乐部项目的相关成本可能为零。这样的项目可以提供关于可再生能源系统、基础电子知识和制造的实践经验，同时扩展校园内的户外充电基础设施。与通常作为完全集成产品制造的商用系统不同，本文介绍的桌子采用开放式模块化设计，使用广泛可用的组件，使其更易于复制、维修和适应不同的应用。

尽管太阳能供电野餐桌的原型展示了可靠的功能性和用户便利性，但仍存在一些限制。本研究中的测试仅限于短期现场评估，没有包括完整的季节性评估。在所测试条件下获得的结果表明，系统性能取决于可用辐照度，在较低的太阳条件下输出会减少。在加拿大这样的寒冷气候中，由于积雪、结冰和有限的维护，户外基础设施（包括野餐桌）在冬季常常无法使用。安装的野餐桌在冬季也遇到了类似问题，使用受到了限制。因此，该系统在冬季条件下的实际可用性和性能仍不确定。然而，即使在低辐照度和积雪条件下，光伏模块和电池也能够通过保持最大功率点（MPPT）的激活来维持系统运行。这部分归因于气候变化导致的降雪量减少，预计这将使得积雪对光伏发电的影响变得较小[61]。所介绍的设计主要针对基于USB的充电进行了优化，因此其适用范围限于手机、平板电脑以及支持USB-C输入的特定笔记本电脑。传统的旧款笔记本电脑和更高功率的电子设备无法直接通过现有设置充电。此外，该系统的发电能力受到单个重新利用的光伏模块的限制，在低辐照度或高负载条件下总可用功率受限。

未来的开发可以针对这些限制进行处理。未来的迭代可以探索定制的光伏板，以便更好地集成到桌子表面，从而提升美观性和能源输出。将测试使用多个光伏模块以增加总功率容量，支持更高功率的负载，如标准笔记本电脑、电动自行车和小型直流电器。下一个版本还可以包括一个小型交流逆变器，提供标准交流电，允许用户直接将普通笔记本电脑充电器、电动自行车充电器或其他小型电子设备插入桌子。这还开启了将更高功率的太阳能野餐桌组合成直流纳米电网[62]或更复杂拓扑结构[63]的可能性，适用于更大规模的户外野餐区。这些改进将扩展桌子的功能，同时保持其开源、可持续和用户友好的设计理念。

5. 结论
本研究开发了一种低成本的开源太阳能供电野餐桌，旨在为电子设备提供户外充电服务。该系统集成了320瓦的光伏模块、最大功率点充电控制器和12伏LiFePO4电池，实现了可靠的离网发电和存储。现场测试验证了系统的稳定运行，以及在多个设备连接时的日能量输出达到约50瓦时。尽管具有这些功能，但材料总成本仅为约450美元，比市面上销售的太阳能充电餐桌便宜90-95%。该结构使用回收塑料木材和重新利用的光伏模块制成，进一步提高了可持续性，并保持了户外使用的耐用性。整个建造过程仅需一天时间，可以使用 readily available 的组件轻松制作出实用的户外充电基础设施。这些结果表明，开源太阳能家具可以为扩大户外环境中可再生能源充电设施提供经济实惠且可复制的方法。